전기 접지는 전기 안전과 관련이 깊으며 모두 그 중요성을 인정한다. 우리나라는 현재 IEC 규격을 채택해 운영하기에 전기학자들도 IEC 규격에 의한 접지 관련 논문을 많이 발표한다. 그러나 IEC 규격은 접지 종류를 백화점식으로 나열해 특정 접지 방식의 중요성을 부각하지 못했다. 이 자료는 NFPA 70 / NEC(2011) Article 250 규정 중 전기 접지 및 본딩Bonding에 대한 기본 요구조건을 규정한 Section 250.4를 번역 해설한 것이다. Article250 전체에서 규정한 구체적인 접지 및 본딩 방법 제시에 앞서, 전체에 공통으로 적용하는 접지 및 본딩을 하는 근본 목적과 실행 방법에 대한 기본 원칙을 언급한 것이다. 업무상 필요해 번역한 자료를 산업 현장의 전기 엔지니어와 공유하고자 한다. ※ NFPA : National Fire Protection Association. NEC : National Electrical Code. IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers. IEC : International Electrotechnical Commission.
김홍관 Profile · 영남대학교 전기공학과 졸업(공학사) · 미국 Westinghouse에서 Electrical Engineering Services 기술연수 · 대정부 제안을 통해 전기 설비 기술 기준의 판단 기준에 고저항 접지(HRG) 조항 신설 · 현現그라텍콘트롤스 대표. 02-3402-3114, inno@hrg.kr
National Electrical CodeⓇ250.4(2011) NEC 250.4 General Requirements for Groundingand Bonding. 접지 및 본딩의 기본 요구 조건 The following general requirements identify what grounding and bonding of electrical systems are required to accomplish. The prescriptive methods contained in Article 250 shall be followed to comply with the performance requirements of this section. 아래 기본 요구 조건들은 준수해야 하는 전력 계통의 접지 및 본딩에 관한 것이다. NEC 조항 250에 명시된 규정들은 이 조항에 있는 기본 실행 조건을 따라야 한다.
Grounded Systems. 접지 계통 Electrical System Grounding. 전기 계통 접지｜Electrical systems that are grounded shall be connected to earth in a manner that will limit the voltage imposed by lightning, line surges or unintentional contact with higher-voltage lines and that will stabilize the voltage to earth during normal operation. 접지해야 하는 전기 계통(*예 transformer/generator)은 낙뢰, 라인 서지 혹은 더 높은 전압 전로와 사고 접촉으로 가해지는 이상 전압이 제한되고, 또한 정상 운전 시 대지 전압이 안정되도록 대지에 연결(*계통접지 System Grounding)해야 한다.
Grounding of Electrical Equipment. 전기기기의 접지｜Normally non-current-carrying conductive materials enclosing electrical conductors or equipment, or forming part of such equipment, shall be connected to earth so as to limit the voltage to ground on these materials.
Informational Note : An important consideration for limiting the imposed voltage is the routing of bonding and grounding lectrode conductors so that they are not any longer than necessary to complete the connection without disturbing the permanent parts of the installation and so that unnecessary bends and loops are avoided. 정보 노트 : 사고로 말미암은 이상 전압을 억제할 때 고려할 중요한 사항 중 하나로, 본딩을 하거나 접지 극선 접지 시 도선 포설 방법에서, 이들 도선을 직선으로 설치하기 위해 벽 등에 일부러 구멍을 뚫을 필요성은 없으나, 도선은 가능한 한 짧게 하고, 구부리거나 환상으로 되는 것은 피해야 한다. * 접지 극선 및 본딩 도선은 가능하면 임피던스 (Impedance ; 교류 회로에서의 전압과 전류의 비比)가 적게 나오도록 짧게 직선으로 설치하며, 임피던스가 커지면 이상 전압 제한 효과가 떨어져, 전자기기와 통신기기 등에 피해를 준다. 이 도선들의 고주파 리액턴스는 저주파인 60㎐에서 문제가 안 되지만, 주파수가 큰 특성을 가진 낙뢰는 도선 시공 방법에 따라 임피던스가 매우 커질 수 있으므로 포설 시 유의해야 한다.
전선이나 전기기기를 수용하거나, 혹은 그 전기기기 역할을 일부분이라도 수용할 경우 평소 전류가 흐르지 않는 이 노출 도전체(예 : (통칭)전기기기 외함)들은 사고 시 이 노출 도전체에 대한 대지 전압이 제한되도록 대지에 연결(* 기기접지(Equipment Grounding))해야 한다.
Bonding of Electrical Equipment. 전기기기의 본딩｜Normally non-current-carrying conductive materials enclosing electrical conductors or equipment, or forming part of such equipment, shall be connected together and to the electrical supply source in a manner that establishes an effective ground-fault current path. 전선이나 전기기기를 수용하거나, 혹은 그 전기기기 역할을 일부분이라도 수용하는 경우 평소 전류가 흐르지 않는 이 노출 도전체들을 서로 연결하고, 또 전원(예:중성점)에 본딩해 유효 지락 사고 전류 경로가 구성되도록 해야 한다.
Bonding of Electrically Conductive Materials and Other Equipment. (계통 외)도전체와 여타 기기의 본딩｜Normally non-current-carrying electrically Conductive Materials that are likely to become energized shall be connected together and to the electrical supply source in a manner that establishes an effective ground-fault current path. 평소에는 전류가 흐르지 않으나, 사고로 전류가 흐를 수 있는 (*계통 외)도전체들은 서로 연결하고, 또 전원(*예 : 중성점)에 본딩(*Bonding)해, 유효 지락 사고 전류 경로가 구성되도록 해야 한다.
Effective Ground-fault Current Path. 유효 지락 사고 전류 경로｜Electrical equipment and wiring and other electrically conductive material likely to become energized shall be installed in a manner that creates a low-impedance circuit facilitating the operation of the overcurrent device or ground detector for highimpedance grounded systems. It shall be capable of safely carrying the maximum ground-fault current likely to be imposed on it from any point on the wiring system where a ground fault may occur to the electrical supply source. The earth shall not be considered as an effective ground-fault current path. 전기기기, 전선로 및 사고 시 전류가 흐를 수 있는 계통 외 도전체는 과전류 보호 장치나 고 임피던스 접지계통(고저항 접지 계통)의 지락 감지기 동작이 잘 되도록, 저 임피던스 회로(유효 지락 사고 전류 경로)가 구성되도록 설치해야 한다. 지락 사고가 그 선로의 어느 곳에서 발생해도, 그 지점에서 최대 지락 사고 전류가 안전하게 전원(예 : 중성점)으로 흐를 수 있어야 한다. 대지를 통한 경로(예 : 한국의 제2종 접지)는 유효 지락 사고 전류 경로로 간주될 수 없다.
Ungrounded Systems. 비접지 계통 Grounding Electrical Equipment. 전기기기의 접지｜Non-current-carrying conductive materials enclosing electrical conductors or equipment, or forming part of such equipment, shall be connected to earth in a manner that will limit the voltage imposed by lightning or unintentional contact with higher-voltage lines and limit the voltage to ground on these materials. 전선이나 전기기기를 수용하거나, 혹은 그 전기기기 역할을 일부분이라도 수용하는 경우 평소 전류가 흐르지 않는 이 노출 도전체들은 낙뢰나 더 높은 전압 전로와의 사고 접촉으로 가해지는 이상 전압이 제한되고, 또 이들 도전체에 대한 대지 전압이 제한되도록 대지에 연결(기기접지(Equipment Grounding))해야 한다.
Bonding of Electrical Equipment. 전기기기의 본딩｜Non-current-carrying conductive materials enclosing electrical conductors or equipment, or forming part of such equipment, shall be connected together and to the supply system grounded equipment in a manner that creates a low-impedance path for ground-fault current that is capable of carrying the maximum fault current likely to be imposed on it. 전선이나 전기기기를 수용하거나, 혹은 그 전기기기 역할을 일부분이라도 수용하는 경우 평소 전류가 흐르지 않는 이 노출 도전체들은 서로 연결하고, 또한 전원의 계통 접지된 기기에 본딩을 하여 사고 시 그 노출 도전체에 최대 지락 사고 전류가 흐르도록 저 임피던스 지락 사고 전류 경로를 구성해야 한다.
Bonding of Electrically Conductive Materials and Other Equipment. (계통 외)도전체와 여타 기기의 본딩｜Electrically Conductive Materials that are likely to become energized shall be connected together and to the supply system grounded equipment in a manner that creates a low-impedance path for ground- fault current that is capable of carrying the maximum fault current likely to be imposed on it. 사고 시 전류가 흐를 수 있는 (계통 외)도전체를 서로 연결하고, 또한 전원의 계통 접지된 기기에 본딩해 사고 시 그 (계통 외)도전체에 최대 지락 사고 전류가 흐르도록, 저 임피던스 지락 사고 전류 경로를 구성해야 한다.
Path for Fault Current. 지락 사고 전류 경로｜Electrical equipment, wiring and other electrically conductive material likely to become energized shall be installed in a manner that creates a low-impedance circuit from any point on the wiring system to the electrical supply source to facilitate the operation of overcurrent devices should a second ground fault from a different phase occur on the wiring system. The earth shall not be considered as an effective fault-current path. 사고 시 통전이 되는 전기기기, 전선 및 (계통 외)도전체들은, 그 선로 어디서든 지락 사고가 나서 전원으로 사고 전류가 흐를 때 과전류 보호 장치 및 (고 임피던스 접지 계통에서)다른 상에서 발생하는 2차 지락 사고 시에도 당연히 잘 동작되도록 저 임피던스 회로(유효 지락 사고 전류 경로)를 구성해야 한다. 대지를 통한 경로는 유효 지락 사고 전류 경로로 간주될 수 없다.
IEEE에 의하면 전력 계통의 접지 종류를 크게 계통 접지(System Grounding)와 기기 접지(Equipment Grounding) 2가지로 나눈다. 계통 접지에는 ① 직접 접지(Solid Grounding) ② 저저항 접지(Low Resistance Grounding) ③ 고저항 접지(High Resistance Grounding) ④ 비 접지(Ungrounded System)가 있다. 접지란 대지나 대지 역할을 하는 대상에 도선을 의도적으로 연결하는 것을 말한다. 전력을 수전하는 구내 메인 수전반(첫 수전반)에 한 번 접지하고, 수전 변압기를 옥외에 설치했으면 추가로 옥외에도 접지한다. 전원 쪽에만 접지하고 전력을 사용하는 부하 쪽에는 접지하지 않으며, 하위 계통 변압기 2차 측에도 같은 원칙으로 접지해야 한다.
접지하는 2가지 기본 이유 : two basic reasons for grounding 1. 낙뢰 혹은 전원 공급선에 더 고압인 선로와 사고 접촉으로 말미암은 전원선의 전위 상승을 제한하고자. To limit the voltages caused by lightning or by accidental contact of the supply conductors with conductors of higher voltage 2. 정상 운전 시 전압의 안정화를 위해(대지 전압을 일정 수준으로 유지하기에 계통에 연결된 어떤 부하 기기라도 그 전압만 가해진다). To stabilize the voltage under normal operating conditions (which maintains the voltage at one level relative to ground, so that any equipment connected to the system will be subject only to that potential difference)
[그림 250.1]은 전형적인 전력용 변압기 단상 3선식 접지계통을 보여준다. 전력 수전반 내 계통 접지선은 의도적으로 접지 극선(GEC, Grounding Electrode Conductor)을 통해 접지극에 연결한다. 수전반 내 주 본딩 점퍼를 이용해 기기 접지 모선과 중성점 모선을 본딩한다는 것은, 전력 계통에서 평소 전류가 흐르지 않는 노출 도전체에 대한 접지 기준(ground reference)을 만들고, 계통 접지선을 통해 전력용 변압기(공급 전원)로 통하는 지락 사고 전류 통로를 제공한다는 것을 뜻한다. 수전 변압기를 옥외에 설치한 경우, 1개 이상의 접지를 옥외에 추가로 설치해야 한다. 단, 고 임피던스 접지 계통(고저항 접지 계통)에는 추가로 접지하지 않는다(NEC 250.24(A)(2). 기기 접지 모선(equipment grounding bus)을 대지에 연결하지 않고, 중성점 모선(grounded or neutral bus)에 연결해 지락 사고 시 과전류 보호 장치나 보호 계전기가 잘 동작되도록 하는 것이 본딩이다.
중요한 사항 중 하나지만 이해가 부족하고, 전력 계통을 설계할 때 중요시 되는 것이 접지(grounding)다. 'grounding'이란 단어는 원래 접지 저항치를 기술적으로 가능한 적게 나오게 하면서, 대지에 연결하는 접지란 뜻으로 사용됐다. 'ground'가 단순히 천체의 하나인 지구[大地]라는 뜻으로 다시 정의된 것과 같이 grounding도 역시 'safety ground(안전 접지)'로 다시 정의됐다. 안전 접지는 지락 사고 감지를 촉진시키고, 회로의 과전류 보호 장치를 자동으로 동작하게 하며, 지락 시 저 임피던스 복귀 경로(유효 지락 사고 전류 경로)를 제공하는 안전한 접지를 뜻한다. 본딩이란 도전체들을 서로 연결해 전기적으로 통전의 연속성과 전도율을 높이는 기술을 확실히 하는 과정을 뜻한다. 배전 계통에서 평소 전류가 흐르지 않는 노출 도전체의 상호연결 및 본딩과 계통 외 도전체들, 즉 수영장에 있는 금속제 사다리와 다이빙 판의 본딩 등 평소 전류가 흐르지 않는 모든 금속 도전체의 본딩은 대지와 공통 전위 즉, 등전위 유지를 확실히 하기 위해 특정 규정에 따라 실시해야 한다. 여기에 '유효 지락 사고 전류 경로'에 관한 예들이 있다. 유효 지락 사고 전류 경로는 지락 사고 전류가 사고 지점에서 전원 즉, 중성점으로 안전하게 흐르도록 설계된(의도적으로 만든) 저 임피던스 경로이다. 유효 지락 사고 전류 경로에서 지락 사고 시 과전류 보호 장치가 즉시 동작돼야 한다. 그것은 또한 고 임피던스 접지 계통 및 비접지 계통(일반적으로 지금은 고 임피던스 접지 계통으로 전환해야 함)에서 지락 사고 감지기를 작동(경보 장치)시켜야 한다. 또한, 그것은 고 임피던스 접지 계통 및 비접지 계통에서 서로 다른 지점에서 서로 다른 2개의 상에서 발생한 지락 사고 시 안전한 전류 통로를 제공해 사고 전류를 차단하게 해야 한다. 전기기기나 회로의 대지와 연결은 대지에 매설된 접지극에 전선(접지 극선)으로 직접 연결하기도 하고, 다른 금속 도전체, 예를 들면 금속 전선관(Metal Conduit)과 switchboard 외함 등으로 연결해 전기적으로 접지극에 연결하게 한다. 접지 및 본딩의 결합은 쇼크Shock 위험이 될 수 있는 연속적이고 위험한 과전압이 부과돼 장비를 손상시킬 수 있는 가능성을 크게 배제하기에 인명이나 장비, 선로를 보호한다. 전기 접지는 크게 2가지로 구분한다. 전기 회로 중 하나를 접지하는 계통 접지와 전선이나 전기기기를 수용하는 모든 금속 외함을 접지하는 기기 접지다. 절연 파괴로 말미암아 그 외함에 전압이 걸리면 쇼크 혹은 전기화재를 유발할 수 있다.
접지의 종류
계통 접지(System Grounding or Wiring System Grounding)|계통 접지는 전력 계통의 한 부분, 예를 들면 중성점을 접지하는 것이며, 낙뢰나 사고 접촉으로 가해지는 높은 사고 전압을 제한하는 역할을 한다. 계통 접지의 또 다른 목적은 계통에서 정상 운전 시 대지에 대한 최대 전압을 제한한다. 또한 계통의 한 부분을 계통 접지해 운전하는 시스템은 접지하지 않은 상에서 지락 사고가 발생할 때 회로를 자동 차단하는 기능을 제공한다.
기기 접지 혹은 안전 접지(Equipment Grounding or Safety grounding)|이것은 접지 계통인 (A)(2), (A)(3), (A)(4) 및 (A)(5)에 해당하는 것으로 중요 사항으로 강조하는 점은 접지의 목적이다. 도선이나 전기 기기 외함 혹은 그러한 역할을 하는 기기의 외함 즉, 노출 도전체들은 절연 파괴 시 대지에 대한 전압이 제한되도록 대지에 연결해야 한다(기기 접지(Equipment Grounding)). 아울러 본딩을 하는 목적으로, 그 노출 도전체들을 서로 연결해 전체적으로 도전성과 연속성을 확립하고, 동시에 과전류 보호 장치를 자동 작동할 수 있는 전류가 흐르도록 유효 지락 사고 전류 경로를 확립해야 한다. 이 경로는 어느 지점에서 사고가 나든 전원(예 : 중성점)으로 흐르는 사고 전류를 안전하게 흘릴 수 있는 능력을 갖춰야 한다. 접지 계통에서 설치 시 잘못이나 잘못된 유지 보수로, 지락 사고 전류 경로가 과대한 임피던스 상태이면 만약, 한 상(즉 계통에서 접지하지 않은 상)이 사고로 금속 외함에 접촉됐을 때, 과전류 보호 장치가 동작할 충분한 전류가 흐르지 못하는 상황이 발생할 수 있다. 그러한 경우 사고 선로는 자동 차단되지 않고, 위험한 전압이 금속 전선관이나 금속 외 함에 존속될 수 있다. 이 전압은 충전된 전선관과 접지된 파이프나 접지된 다른 금속 사이에 발생될 수 있는 아킹Arcing이나 스파킹Sparking으로 인체에 쇼크 위험 혹은 화재 위험을 일으킨다.
마지막 섹션에서 대지에 단독 기기 접지를 하는 것 즉, 대지로 전류를 흘리는 것을 금지한다. 대지의 임피던스는 매우 높기에 지락 사고 전류의 흐름을 제한하며, 과전류 보호 장치(OCGR)의 동작이 어렵고, 동작 여부를 확신할 수 없다. 컴퓨터, 통신, 데이터 계통, CATV 분야에서 특히 설치자와 감독자조차도 종종 매우 중요한 이 코드 규칙을 위반하고, 또한 너그럽게 보아주기도 하나 그렇게 해서는 안 된다. 대지를 통한 지락 사고 전류 경로(예 : 한국의 제2종 접지, 일본의 B종 접지, IEC의 TT 접지)는 유효 지락 사고 전류 경로로 간주될 수 없으며, 명심해야 할 점은 그것이 어떤 일을 할 정도의 큰 전류는 아닐지라도 - 60W 전구를 켜지는 못한다 - 사람을 감전사하게 할 수도 있다.
기술 용어 통합 우리나라에서 현재 한국전기규정(KEC, 가칭)을 추진하고 있다. 새로운 기술 기준인 KEC에 IEC와 NEC 등 외국 기술기준을 많이 참조한 통합 형태로 제정하고, 국내 기술 기준은 단지 참고하는 형식으로 하되, 간결하고 국민 모두 이해하기 쉬운 문장으로 된, 선진화된 기술 기준으로 탄생되기를 희망한다. 선진화된 기술 기준은 현재 우리나라 기술 수준을 감안하고, 끊임없이 개선 발전하고, 변화하는 기술의 특성상 선진 기술 기준의 변경 시 우리 기술 기준의 변경이 용이한 형태여야 할 것이다. 또한, KEC에서 수많은 기술 용어가 새로 등장할 것이며, 용어 통합 노력은 매우 중요하므로 정성을 다해야 함은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것이다. 예를 들어 유럽 각국의 기술 기준을 대변하는 IEC와 미국의 기술 기준을 대변하는 NEC 기술 용어를 통합할 경우, 다음과 같은 원칙을 만들어 적용하는 것도 좋을 것이다. IEC와 NEC에서 사용하는 기술 용어가 비슷하지만, 다른 의미를 가진 경우 각자 번역한 용어를 선정해 사용하겠지만, 비슷한 의미를 가진 경우 한쪽에서 약간 양보해 양쪽 의미를 아우르는 공통 한글 용어를 선정해 사용하자.
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